生物力学协同进化？以蓝翠雀花退化雄蕊为例研究花形态演化

The evolution of floral characters is a hot spot in the evolutiology studies, and the ecology function studies of the special and ingenious floral characters becoming focus issue because of its diversity and complexity. Plants of Delphinuim bear petal-like staminodium, which form “door” like structure. The plant stamens and pistils hide behind the door-like staminodium, and sufficient external force is needed to open the staminodium for the stamens and pistils emergence and success pollination. Therefore, we speculate that the door-like staminodium may execute protect and pollinator screening function, and a biomechanics co-evolution may exist between plants and pollinators. In this project, we plan to use Delphinium caeruleum from 3 natural populations, Haibei Station, Hezuo Station, and Tianzhu Station, as study object to test these hypotheses. Also, the project aimes to find out: 1) what the function of Delphinium caeruleum staminodium is? 2) Whether the staminodium execute biomechanics pollinator screening function? And if yes, 3) whether a mechanics-matching exist between the staminodium of D. caeruleum in different populations and the pollinators in each population, which may cause a biomechanics co-evolution. By answer the questions above, the project try to discuss the floral characters determination by pollinators and/or environmental factors, and reveal the evolutionary mechanism of plant special floral characters.

植物花形态的演化一直是进化学研究的热点，由于花形态结构的多样性和复杂性，特殊花结构的生态学功能成为进化生物学家关注的焦点问题之一。毛茛科翠雀属植物具有瓣片状“门”式退化雄蕊，雌雄蕊结构隐藏于退化雄蕊之内，植物则必须受到足够的外力将退化雄蕊打开后才能露出雌雄蕊结构并完成传粉过程，因而猜测退化雄蕊可能执行保护和昆虫筛选功能，并有可能与传粉者之间存在生物力学上的协同进化。本项目拟以3个自然居群的翠雀属植物蓝翠雀花（Delphinium caeruleum）为研究对象对上述假设进行验证，并试图解决以下问题：1）蓝翠雀花退化雄蕊的生态学功能是什么？2）退化雄蕊是否执行传粉昆虫的生物力学筛选功能？如果是，那么3）不同居群蓝翠雀花的退化雄蕊是否与其当地传粉者具有不同的力学匹配以实现生物力学协同进化？通过对以上问题的解答，探讨传粉者或者环境因子对植物花形态的框定，并揭示植物特殊花形态结构的演化机制。

翠雀属植物具有覆盖在性器官上的瓣片状“门”式退化雄蕊，导致其成功传粉需要传粉者足够大的力的推动，因而猜测翠雀属植物的退化雄蕊具有昆虫力学筛选作用，并有可能与传粉者之间存在力学上的协同进化作用。本项目以蓝翠雀花为对象，在3个居群研究其退化雄蕊的生态学功能，并探讨其与传粉者的力学互做。.研究结果显示，（1）3个居群蓝翠雀花的花形态大小差别不大，但是退化雄蕊的推力存在显著性差异；3个居群的传粉者的种类、扭力都存在显著性差异；各居群的传粉者产生的扭力与各居群蓝翠雀花退化雄蕊的推力不存在显著差异，但非传粉者扭力显著小于蓝翠雀花退化雄蕊的推力。表明翠雀花与传粉者存在力学筛选及力学匹配关系，进而初步判断动植物间存在力学协同进化关系。（2）3个居群蓝翠雀花花蜜通道长度没有显著性差异，各居群传粉者中，熊蜂的喙长与花蜜通道长度相匹配，但是蜜蜂喙长显著小于花蜜通道长度。表明蓝翠雀花与传粉者在喙长与花蜜通道长度的“长度”上是基本匹配的，也存在长度上的筛选和互做。（3）自然盗蜜过程中传粉者可能会给蓝翠雀花提供了其他信号，进而导致推开退化雄蕊的门槛降低，增加了传粉和授粉机会，这很有可能是一种巧妙的适应盗蜜的机制。（4）增温、增光和降湿条件会缩短雄蕊开放时间，而降温、降光及增湿条件则会延长雄蕊开放时间。这一结果表明除了传粉者的授粉环境会影响雄蕊次序开放外，非生物环境同样也会影响雄蕊的次序开放。（5）蓝翠雀花的退化雄蕊是其吸引传粉昆虫的重要器官，可以有效避免雨水冲刷及阳光直射的损害，从而提高繁殖适合度，但不能阻止植食者对花内器官的啃食，退化雄蕊对于蓝翠雀花应对外界极端环境具有重要的适应意义。.通过本项目的实施，提出了多项全新的理论和观点，是对“达尔文式竞赛”、“PPT理论”等观点的有益补充，同时为植物应对盗蜜的力学适应策略提供了新的思路。发表研究论文11篇，授权专利3件，培养研究生多名。